朱长春，何 银

(1.陕西省计量科学研究院，西安 710065；2.西北工业大学 电子信息学院，西安 710129)

fractal antenna

近年来，随着军事隐身技术的迅速发展，各军事大国在隐身技术的研究领域投入了巨大的人力物力.其中，微带贴片天线由于其自身结构简单，低剖面，易于布阵等特点，在隐身平台的设计过程中得到了大量的使用.出现了多种新型的天线雷达散射截面(Radar Cross Section,RCS)缩减方案[1-13].例如对微带贴片天线，在其与人工磁导体技术相结合，可以得到带内、带外RCS的同时缩减.但是这种方法的不足之处是很难实现宽角度范围内的天线RCS缩减[1].此外，微带贴片天线作为一种窄带天线结构，集总电阻加载将不可避免地对天线辐射性能造成一定程度的影响[2].通过在贴片表面开槽可以阻断高次模感应电流的流动，这是缩减天线RCS的一种常用方法[3]，这种方法实用性很好，但是由于开槽过程不影响主模电流的流动，因此仅可以缩减带外RCS，因此实际使用中，常与其他方法相结合使用.简单意义上讲，天线的尺寸越小，同条件下其RCS越小，因此缩小天线的尺寸是一种有效的RCS缩减手段[4].但是，天线尺寸尤其是贴片尺寸下降的同时将会引起天线辐射增益的剧烈下降.在微带天线上加载短路针或者短路片是有效的实现天线小型化的方法，可在保持天线的辐射特性基本不变的前提下取得良好的RCS缩减效果.

本文给出了两种低RCS微带贴片天线结构，分别是基于开槽技术以及分形技术[5]的低RCS天线.两种结构可以在1～12 GHz的较宽频带范围内实现良好的RCS缩减效果.综合缩减效果集中在5～20 dB之间.

1 天线散射理论分析

建立如图1所示的的天线散射理论模型，a0与b0为馈电传输线参考平面S1的入射波幅度和出射波幅度.将天线外空间场按照球面波展开式展开为

(1)

其中ai与bi分别为外空间球面上的第i个入射波与出射波的幅度值.通过散射矩阵的变换，可以推导出天线散射场幅度的表达式为

(2)

由式(1)～(2)推导出天线散射基础理论公式为

(3)

简记为

Es(Z1)=Es(Zc)+Ea(Z1)

(4)

图1 天线散射机理示意图

由此可知，天线的RCS主要是由天线结构项RCS和天线模式项RCS两部分组成.当入射波激励时，由于负载与天线不匹配，从而会导致二次辐射，由此产生的RCS是天线模式项RCS，该RCS随着天线负载的情况而变化.而天线结构项RCS则与天线负载无关，其散射机理与普通散射体一致，由天线的外形决定.

在天线RCS缩减技术研究中，一般假设天线匹配情况良好，忽略天线模式项RCS对天线RCS的影响，只研究天线结构项RCS.因此，本文采用开槽、加短路针及分形技术等方法，缩减天线结构项RCS，从而实现天线RCS缩减.

2 低RCS微带天线设计

选用谐振频率为2.45 GHz的微带贴片天线为参考天线Ant1.结构如图2所示.

图2 天线Ant1结构

参考天线在频率为2.45 GHz时S11=-43.6 dB，在最大辐射方向上的辐射增益为4.25 dB，半功率波瓣宽度为2θ0.5=76°.地板采用相对介电常数为4.4的FR-4环氧玻璃布层压板.

针对垂直入射的情况下地板以及贴片表面的镜像反射，采用地板中心开槽的设计方案.观察地板表面感应电场的分布之后，将开槽的位置集中在天线贴片与地板的重合位置.分别在地板的(L/4,W/4)、(0.4L,0.4W)、(-0.4L,0)、(0,0.4W)等12个位置上开半径为R1=2.5 mm的圆形孔槽.同时将原有参考天线Ant1的地板尺寸由2W×2L缩减为1.4W×1.4L.

针对斜入射情况贴片表面感应电场分布的边缘效应，选择在贴片上 (±L/2,±W/4)、(0，±W/2) 6个点处开半径为R2=4 mm的半圆形槽.

针对贴片表面的感应电场分布，分别在(0.5，-6)和(0.5，6)这两个感应电流相对集中的点，放置半径为0.6 mm的铜芯短路探针.

针对贴片表面的散射时的高次模分量，在贴片表面(-15.1，-5)和(-15.1,4)处开宽为1 mm长为8 mm的矩形槽，在(9.1,-5)和(9.1，4)处开长为6 mm宽为1 mm的矩形槽，同时在(-8.8，-10)以及(-8.8,10)处分别开两个一阶Koch分形锯齿槽.天线Ant2的结构模型如图3所示.

图3 线Ant2结构Fig.3 Structure of Ant2 antenna

S11参数如图4所示，辐射方向图如图5所示.天线Ant2的最大辐射方向上的辐射增益为3.12 dB，相对于参考天线Ant1下降了1.13 dB.

天线Ant2的散射性能如图6所示.在垂直入射下，天线Ant2可以1～12 GHz的宽频带范围内实现良好的RCS缩减效果.斜入射时天线Ant2在高频端的RCS缩减效果明显优于低频段，最大缩减幅度达到20 dB.

图4天线Ant1和Ant2的S11参数

Fig.4S11parameters of Ant1 and Ant2 antennas

图5 天线Ant1和Ant2的辐射方向

图6 天线Ant1与Ant2的RCS对比

3 分形天线设计

天线Ant3的结构如图7所示.微带贴片天线的辐射边W=30 mm，谐振边L=29.4 mm，馈源的坐标点优化为(6.0，0).同时在贴片表面(-0.3，-10)和(-0.3,9)处分别开长为13 mm宽为1 mm的矩形槽，在(-12，-14)和(-12，13)处开长为10 mm宽为1 mm的矩形槽.天线Ant3的S11参数如图8所示，天线Ant3的谐振频率为2.46 GHz，相比于参考天线Ant1变化不大.辐射方向图如图9所示，Ant3在最大方向上的辐射增益为3.29 dB，相比于参考天线Ant1下降0.96 dB.

图7 天线Ant3结构Fig.7 Structure of Ant3 antenna

散射性能如图10所示，在垂直入射时，天线Ant3可以在较宽的频带范围内实现良好的RCS缩减效果.斜入射情况下，天线Ant3在高频端的RCS缩减效果明显优于低频段.在当θ=75°，φ=30°，入射频率为7.3 GHz时，最大缩减效果达到15 dB.

图8 天线Ant1和Ant3的S11参数

图9 天线Ant1和Ant3的辐射方向

4 结 论

1) 本文设计的天线的RCS缩减特性与参考文献中的天线RCS缩减性能相比较，低RCS天线可以达到对带内、带外的RCS同时减缩，在大角度斜入射的情况下，RCS减缩效果明显.

2) 利用开槽技术、分形技术以及天线小型化技术设计了两款低RCS微带天线模型，两款天线在1～12 GHz的频范率围内取得了良好的RCS缩减效果，综合缩减效果集中在5～20 dB之间，达到了微带天线RCS减缩的目的.